CN114241887A - 一种基于数字孪生的协作机器人教学平台 - Google Patents

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姚立权
刘永刚
石磊
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Abstract

一种基于数字孪生的协作机器人教学平台，属于教学设备类领域。包括内置有控制器组件的控制箱、以及设置在控制箱表面的机器人组件和输配料组件，该教学平台可以通过对六轴机器人和XYZ移动模组单元控制使其在供料单元、码垛单元、输送单元进行动作。学生可以开展各种创新型的实验活动，有利于培养学生的动手操作、分析调试、设计的能力和创新意识。该平台融合多个学科教学（机械设计、机电工程、PLC编程控制等）内容，可以极大促进师生了解工厂实际应用，满足企业对人才实际应用能力的根本需求。

Description

一种基于数字孪生的协作机器人教学平台
技术领域
本发明属于教学设备类领域,特别涉及一种基于数字孪生的协作机器人教学平台。
背景技术
目前由于各高校教学资源受限制问题，设计基于数字孪生的电教室同一集中授课，避免了学校由于物理实训设备数量有限，几十个学生围着设备听老师授课，不利于展开教学活动，影响教学质量，而分组分批教学，增加老师的工作量，影响教学效率的弊端。同时实操实训过程中，经常会有一些具有危险性的项目，如机器设备伤人，设备操作不当的损坏等，而采用数字孪生技术可以让学生提前了解实训的流程，避免危险性事件的发生，使学生可以尽情地，放心大胆地做好每一个实训项目。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种基于数字孪生的协作机器人教学平台。
发明所采用的技术方案是：一种基于数字孪生的协作机器人教学平台，其技术要点是，包括内置有控制器组件的控制箱、以及设置在控制箱表面的机器人组件和输配料组件；
所述的机器人组件包括六轴机器人、XYZ移动模组单元和气动阀单元，所述的六轴机器人与机器人控制器连接，以接收由机器人控制器输出的控制六轴机器人尾端夹持工具和吸盘的控制信号；所述的XYZ移动模组单元与模组控制器连接，以接收由模组控制器输出的控制信号；所述气动阀单元与PLC控制器连接，以接收PLC控制器输出的驱动六轴机器人末端吸盘吸合的气动信号；
所述的输配料组件包括供料单元、码垛单元和输送单元，所述输送单元包括用于对物料进行传递的输送带单元，以及用于对输送带单元传递过来的物料进行图像采集的传感器单元，所述传感器单元设置在传感器单元中传送带的两侧；所述供料单元、码垛单元和输送带单元分别与PLC控制器连接，以接收PLC控制器输出的供料控制信号、用于使零件摆放到底板相应的仓格内的码垛控制信号和控制输送带的输送控制信号；
所述的控制器组件包括PLC控制器、数字孪生主机、机器人控制器和模组控制器，其中数字孪生主机、机器人控制器和模组控制器分别与PLC控制器连接，接收或发送来自PLC控制器的控制信号；
所述数字孪生教学显示平台包括数据采集模块、孪生模型模块和分析模块；所述的孪生模型模块包括3D模型单元、物理属性仿真单元和动作行为建立单元，所述的3D模型单元用于建立与六轴机器人、供料单元、码垛单元、输送单元、气动阀单元和XYZ移动模组单元相同的三维模型；所述的物理属性仿真单元用于根据六轴机器人、供料单元、码垛单元、输送单元、气动阀单元和XYZ移动模组单元的动作属性以及动作性能，赋予孪生模型模块相应的动作属性值；所述的动作行为建立单元用于对模拟传感器和执行器进行配置；
所述的数据采集模块包括参数配置单元和信号连接单元，所述参数配置单元用于在虚拟模型产生动作信号的同时对与该虚拟模型对应的实际硬件也配置相同的信号；所述的信号连接单元用于与数字孪生主机进行连接，用于在数字孪生教学显示平台和几控制单元硬件平台进行信息交互；
所述的分析模块包括性能分析单元、匹配度分析单元和分析报告单元，所述的性能分析单元用于对建立的数字孪生模型动作执行性能情况进行分析；所述的匹配度分析单元用于分析数字孪生模型与物理模型的匹配程度，以便于学生在数字孪生平台上练习的与物理实体练习的情况进行匹配分析。分析报告单元用于把分析结果行成报告形式，以便于老师进行统计分析。
上述方案中，还包括安全报警单元，所述的安全报警单元与PLC控制器信号连接，以接收PLC控制器的发送的包括控制急停钮、报警灯和蜂鸣器的报警信号。
本发明的有益效果是：该基于数字孪生的协作机器人教学平台，包括内置有控制器组件的控制箱、以及设置在控制箱表面的机器人组件和输配料组件，该教学平台可以通过对六轴机器人和XYZ移动模组单元控制使其在供料单元、码垛单元、输送单元进行动作。学生可以开展各种创新型的实验活动，有利于培养学生的动手操作、分析调试、设计的能力和创新意识。该平台融合多个学科教学（机械设计、机电工程、PLC编程控制等）内容，可以极大促进师生了解工厂实际应用，满足企业对人才实际应用能力的根本需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中基于数字孪生的协作机器人教学平台结构示意图；
图2为本发明实施例中孪生平台协作机器人机械平台结构示意图；
图3为本发明实施例中孪生平台协作机器人机械平台俯视图；
图中序号说明如下：1六轴机器人、2 XYZ移动模组单元、3码垛单元、4输送单元、5供料单元、6传感器单元、7控制箱、8安全报警单元、9气动阀单元、10数字孪生数字显示器、11 HMI单元 、12机器人末端工具。
具体实施方式
使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图1～图3和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本实施例采用的一种基于数字孪生的协作机器人教学平台，包括内置有控制器组件的控制箱7、以及设置在控制箱7表面的机器人组件和输配料组件。本实施例的控制器组件包括PLC控制器、数字孪生主机、机器人控制器和模组控制器；机器人组件包括六轴机器人1、XYZ移动模组单元2和气动阀单元9；输配料组件包括供料单元5、码垛单元3和输送单元4。
其中，六轴机器人1安装在控制箱7上部，与机器人控制器相连，由工业机器人、机器人底座、机器人末端工具12等组成。机器人末端工具12具有夹持和吸盘双重功能，当需要进行夹持工作时，吸盘自动收回，需要吸盘功能时，吸盘自动伸出。
传感器单元6安装在输送单元4的侧面，其机械接口位于皮带机侧面，安装在这个位置可以对经过皮带上的物料的图像进行采集。数据接口与PLC控制器的IO接口相连，包括用于检测各机构设备动作的检测的状态，用于判断识别输送带上的物料。。
码垛单元3安装在控制箱7上部，配合六轴机器人1使用，根据PLC控制器输送的控制信号将码垛零件摆放到底板相应的仓格内，以便后续利用六轴机器人1和XYZ移动模组单元2按要求拾取码垛零件进行码垛任务。
供料单元5安装在控制箱7上部，和输送单元4配套使用，由六轴机器人1和XYZ移动模组单元2通过数字量输入输出控制完成零件的供料和输送。
输送单元4安装在控制箱7上部，配合传感器单元6进行不同物料的判别。
气动阀单元9安装在控制箱7侧面，通过PLC控制器的IO模块进行控制，从而实现对机器人末端夹具吸盘进行控制。
安全报警单元8安装在控制箱7上部，与PLC控制器的IO模块相连，通过PLC控制器发送的急停按钮、报警灯、蜂鸣器对使用人员的人身安全进行保护，对于系统自动运行时的非法操作的行为进行紧急急停处理。
本实施例将安全报警单元8设置在数字孪生数字显示器10下端，方面与学生实训的操作以及安全维护。
本实施例的PLC控制器用于控制协作机器人硬件平台相应设备的动作执行，并负责通过profibus或Profinet与数字孪生主机进行信号对接。
与PLC控制器相连的IO接口，用于包括数字量输入、数字量输出、模拟量输入、模拟量输出等输入输出信号，用于接收和输出控制信号到协作机器人硬件平台。
本实施例中主要由数字孪生数字显示器10构成的HMI单元11与PLC控制器相连，以输出与控制箱表面六轴机器人1、供料单元4、码垛单元3、输送单元4、气动阀单元9和XYZ移动模组2单元完全一致的3D模型和模型的动作。
电源模块用于给控制器组件硬件平台供电。
机器人控制器用于与PLC控制器的对接，同时实现对机器人六轴的自由控制。
模组控制模块用于与PLC控制器的对接，对XYZ移动模组进行控制。
数字孪生主机用于与PLC控制器对接，而且与数字孪生教学显示平台对接，同时可以对接多台学生实训电脑。
数字孪生教学显示平台包括数据采集模块、孪生模型模块、分析模块单元。
数据采集模块包括信号连接单元，参数配置单元。信号连接单元用于与数字孪生主机进行对接，实现硬件平台与虚拟平台的无缝连接。参数配置单元用于设置各硬件平台对应的相应参数，以便于实现虚拟平台与硬件平台的有效控制。
孪生模型模块包括3D模型单元，物理属性仿真，动作行为建立。3D模型单元是跟协作机器人硬件平台完全匹配的模型。物理属性仿真是根据硬件平台的动作属性，以及各机构的动作性能，在孪生模型模块上也具备相应的动作属性。动作行为建立是对虚拟传感器和执行器进行配置，连接数据采集模块与3D模型单元的对接单元，通过数据采集模块信号，3D模型执行相应的动作。
分析模块包括性能分析，匹配度分析，分析报告。性能分析主要是对建立设计的数字孪生模型动作执行性能情况进行分析。匹配度分析是分析数字孪生模型与物理模型的匹配程度，以便于学生在数字孪生平台上练习的与物理实体练习的情况进行匹配分析。分析报告是把分析结果行程报告形式，以便于老师进行统计分析。
本实施例还可利用学生实训电脑与数字孪生主机相连，实现多台电脑同时工作，当某个学生完成任务时，可以对接硬件平台进行相应的测试。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种基于数字孪生的协作机器人教学平台, 其特征在于，包括内置有控制器组件的控制箱、以及设置在控制箱表面的机器人组件和输配料组件；
所述的机器人组件包括六轴机器人、XYZ移动模组单元和气动阀单元，所述的六轴机器人与机器人控制器连接，以接收由机器人控制器输出的控制六轴机器人尾端夹持工具和吸盘的控制信号；所述的XYZ移动模组单元与模组控制器连接，以接收由模组控制器输出的控制信号；所述气动阀单元与PLC控制器连接，以接收PLC控制器输出的驱动六轴机器人末端吸盘吸合的气动信号；
所述的输配料组件包括供料单元、码垛单元和输送单元，所述输送单元包括用于对物料进行传递的输送带单元，以及用于对输送带单元传递过来的物料进行图像采集的传感器单元，所述传感器单元设置在传感器单元中传送带的两侧；所述供料单元、码垛单元和输送带单元分别与PLC控制器连接，以接收PLC控制器输出的供料控制信号、用于使零件摆放到底板相应的仓格内的码垛控制信号和控制输送带的输送控制信号；
所述的控制器组件包括PLC控制器、数字孪生主机、机器人控制器和模组控制器，其中数字孪生主机、机器人控制器和模组控制器分别与PLC控制器连接，接收或发送来自PLC控制器的控制信号；
所述数字孪生教学显示平台包括数据采集模块、孪生模型模块和分析模块；所述的孪生模型模块包括3D模型单元、物理属性仿真单元和动作行为建立单元，所述的3D模型单元用于建立与六轴机器人、供料单元、码垛单元、输送单元、气动阀单元和XYZ移动模组单元相同的三维模型；所述的物理属性仿真单元用于根据六轴机器人、供料单元、码垛单元、输送单元、气动阀单元和XYZ移动模组单元的动作属性以及动作性能，赋予孪生模型模块相应的动作属性值；所述的动作行为建立单元用于对模拟传感器和执行器进行配置；
所述的数据采集模块包括参数配置单元和信号连接单元，所述参数配置单元用于在虚拟模型产生动作信号的同时对与该虚拟模型对应的实际硬件也配置相同的信号；所述的信号连接单元用于与数字孪生主机进行连接，用于在数字孪生教学显示平台和几控制单元硬件平台进行信息交互；
所述的分析模块包括性能分析单元、匹配度分析单元和分析报告单元，所述的性能分析单元用于对建立的数字孪生模型动作执行性能情况进行分析；所述的匹配度分析单元用于分析数字孪生模型与物理模型的匹配程度，以便于学生在数字孪生平台上练习的与物理实体练习的情况进行匹配分析；
分析报告单元用于把分析结果行成报告形式，以便于老师进行统计分析。
2.如权利要求1所述的基于数字孪生的协作机器人教学平台, 其特征在于，还包括安全报警单元，所述的安全报警单元与PLC控制器信号连接，以接收PLC控制器的发送的包括控制急停钮、报警灯和蜂鸣器的报警信号。
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